CN108381059A - 一种含Fe、Ni、Si的Cu-Sn-Ti高温合金钎料及其制备方法 - Google Patents

一种含Fe、Ni、Si的Cu-Sn-Ti高温合金钎料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含Fe、Ni、Si的Cu‑Sn‑Ti高温合金钎料，按质量百分比计：Cu：65‑75％，Sn：15‑20％，Ti：9‑12％，Fe：0.02‑2％，Ni：1‑3％，Si：0.1‑1.5％，构成高温合金钎料。制备方法为：首先选择纯度大于99.9％，颗粒大小150‑180um的Cu、Sn、Ti、Fe、Ni、Si金属粉末，将各组分装入双运动混料机混合90min，加入液体分散剂再混合30min；其次将混合均匀的钎料装入真空熔炼炉熔炼，真空度小于3.5×10‑3Pa，待所有金属完全溶化后保温15min；最后将完全熔化的合金液体在惰性气体氛围下，采用雾化方法制备高温合金钎料。

Description

一种含Fe、Ni、Si的Cu-Sn-Ti高温合金钎料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种含Fe、Ni、Si的Cu-Sn-Ti高温合金钎料，属于金属材料领域。
背景技术
金刚石、CBN等超硬材料具有优越的物理、化学和力学等性质，是制作硬脆材料加工工具的理想材料。随着人工合成超硬磨料及超硬工具制作技术的不断发展，以金刚石为代表的超硬工具广泛应用于工程陶瓷、半导体材料、光学玻璃、石材、硬质合金等硬脆材料的加工领域。
传统的金刚石工具制作方法主要有电镀和烧结工艺，磨粒只是被机械的镶嵌、包埋在结合剂内部，工具对磨粒的把持力小，在重负荷条件下磨粒易脱落，致使工具寿命较低。磨粒出露高度较低、加工效率低也是电镀与烧结金刚石工具的不足之处。20世纪80年代国内外开始研究以钎焊工艺制作金刚石工具，其工艺方法是以合金钎料为中间层实现金刚石与钢基体之间的化学冶金结合。钎焊金刚石工具与电镀和烧结金刚石工具相比具有结合强度高、磨粒出露高、寿命长、结构强度高等优异性能，在金刚石工具行业引起越来越多关注，产业价值不断提升。
国内外许多科研人员和单位对钎焊金刚石工具做了大量基础研究与产业化工作，如：瑞士的A.K.Chattopadhyay、德国的A.Trenker、南京航空航天大学、第四军医大学等。钎料是钎焊金刚石工具的重要组成部分，钎料对工具的性能有着决定性影响。现阶段使用的钎料主要有Ni基钎料、Cu基钎料和Ag基钎料，都存在着各自的优缺点。以Ni-Cr合金为代表的Ni基钎料具有熔点高、耐磨性好、强韧性出色、价格低等优点，但因其熔点高、线胀系数大、且Ni元素为金刚石触媒元素，导致钎焊后金刚石的损伤大且钎料层易产生裂纹；Ag基钎料具有适宜的熔点，优良的工艺性，良好的硬度、强度和耐腐蚀性等优点，但Ag是贵金属导致钎料成本过高，不利于产业化应用。以Cu-Sn-Ti合金为代表的Cu基钎料具有熔点适中(约900℃)、成本低、力学性能好等优点，在应用过程中存在以下缺点：(1)由于钎料偏软及其优异的浸润性，导致磨粒出露不理想且刃口易被钎料包覆。(2)钎料在高温下结合强度低，工作时钎焊层易从基体上剥离，剥离处的基体表面存有合金薄层。
鉴于钎焊超硬工具的优势及现有钎料的不足之处，研制新型钎料不仅具有重要的理论意思而且有着广阔的应用前景和市场价值。
发明内容
本发明针对现有Cu-Sn-Ti钎料存在的问题，公开了一种含Fe、Ni、Si的Cu-Sn-Ti高温合金钎料，该钎料熔点适宜、流淌性适中、磨粒出刃性好、对金刚石无损伤且金刚石界面有树枝状致密TiC生成，具有较好的综合性能。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种含Fe、Ni、Si的Cu-Sn-Ti高温合金钎料，其特征在于，以Cu-Sn-Ti为基础合金成分，添加Fe、Ni、Si元素构成高温合金钎料，合金钎料成分按质量百分比计：Cu：65-75％，Sn：15-20％，Ti：9-12％，Fe：0.02-2％，Ni：1-3％，Si：0.1-1.5％。
选择纯度大于99.9％，颗粒大小150-180um的Cu、Sn、Ti、Fe、Ni、Si金属粉末优化配比组合，按质量百分比计：Cu：65-75％，Sn：15-20％，Ti：9-12％，Fe：0.02-2％，Ni：1-3％，Si：0.1-1.5％，机械混合均匀后装入高真空熔炼炉进行熔炼，真空度小于3.5×10-3Pa，将完全熔化的合金液体在惰性气体氛围下，采用雾化方法制备合金钎料。
本发明以Cu、Sn、Ti为主要合金成分，添加Fe、Ni、Si元素构成高温合金钎料。Cu为基础元素；Ti为活性元素能与金刚石形成化学冶金结合；Sn可以提高液态合金钎料对金刚石的润湿性并降低钎料熔点；Fe可以调节钎料的流淌性，Fe对金刚石的适度刻蚀能够增加钎料与基体的接触面积，提高钎料对基体的把持力；Ni可以与Cu无限互溶，强化合金，提高钎料的韧性和耐磨性；Si可以降低合金的线性膨胀系数并起到脱氧的作用。
本发明采用混料设计试验方法，通过剪切试验和钎焊金刚石样件对合金元素的含量进行优化设计。
附图说明
图1为本发明含Fe、Ni、Si的Cu-Sn-Ti高温合金钎料的SEM照片。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明作进一步阐述。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例的含Fe、Ni、Si的Cu-Sn-Ti高温合金钎料，属于金属材料领域。具体为在Cu-Sn-Ti中添加Fe、Ni、Si，按质量百分比计：Cu：65-75％，Sn：15-20％，Ti：9-12％，Fe：0.02-2％，Ni：1-3％，Si：0.1-1.5％，构成高温合金钎料。制备方法为：首先选择纯度大于99.9％，颗粒大小150-180um的Cu、Sn、Ti、Fe、Ni、Si金属粉末优化配比组合，按质量百分比计：Cu：65-75％，Sn：15-20％，Ti：9-12％，Fe：0.02-2％，Ni：1-3％，Si：0.1-1.5％。具体实施步骤为：(1)将各组分装入双运动混料机混合90min，加入液体分散剂再混合30min；(2)将混合均匀的钎料装入真空熔炼炉熔炼，真空度小于3.5×10-3Pa，待所有金属完全溶化后保温15min；(3)将完全熔化的合金液体在惰性气体氛围下，采用雾化方法制备如图1所示的高温合金钎料。该钎料熔点较高、剪切强度高，流淌性适中，对金刚石把持力高、金刚石磨粒出刃性好，综合性能优良。
通过试验分析，本发明的含Fe、Ni、Si的Cu-Sn-Ti高温合金钎料，具有以下特性：钎料熔点为950-1020℃；合金钎料自身的剪切强度为160.14-210.45MPa；液相钎料的流淌性适中，钎焊后的金刚石出露良好且刃口无钎料包覆；金刚石界面有树枝状致密TiC生成，对金刚石把持力高。
实施例1
选择纯度大于99.9％，颗粒大小150-180um的Cu、Sn、Ti、Fe、Ni、Si金属粉末，按质量百分比计：Cu：70.85％，Sn：18％，Ti：10％，Fe：0.05％，Ni：1％，Si：0.1％。采取如下步骤制作高温合金钎料：(1)将各组分装入双运动混料机混合90min，加入液体分散剂再混合30min；(2)将混合均匀的钎料装入真空熔炼炉熔炼，真空度小于3.5×10-3Pa，待所有金属完全溶化后保温15min；(3)将完全熔化的合金液体在惰性气体氛围下，采用雾化方法制备合金钎料。
实施例2
选择纯度大于99.9％，颗粒大小150-180um的Cu、Sn、Ti、Fe、Ni、Si金属粉末，按质量百分比计：Cu：69.5％，Sn：18％，Ti：10％，Fe：0.5％，Ni：1.5％，Si：0.5％。采取如下步骤制作高温合金钎料：(1)将各组分装入双运动混料机混合90min，加入液体分散剂再混合30min；(2)将混合均匀的钎料装入真空熔炼炉熔炼，真空度小于3.5×10-3Pa，待所有金属完全溶化后保温15min；(3)将完全熔化的合金液体在惰性气体氛围下，采用雾化方法制备合金钎料。
实施例3
选择纯度大于99.9％，颗粒大小150-180um的Cu、Sn、Ti、Fe、Ni、Si金属粉末，按质量百分比计：Cu：69％，Sn：15％，Ti：12％，Fe：1％，Ni：2％，Si：1％。采取如下步骤制作高温合金钎料：(1)将各组分装入双运动混料机混合90min，加入液体分散剂再混合30min；(2)将混合均匀的钎料装入真空熔炼炉熔炼，真空度小于3.5×10-3Pa，待所有金属完全溶化后保温15min；(3)将完全熔化的合金液体在惰性气体氛围下，采用雾化方法制备合金钎料。
实施例4
选择纯度大于99.9％，颗粒大小150-180um的Cu、Sn、Ti、Fe、Ni、Si金属粉末，按质量百分比计：Cu：66.5％，Sn：15％，Ti：12％，Fe：2％，Ni：3％，Si：1.5％。采取如下步骤制作高温合金钎料：(1)将各组分装入双运动混料机混合90min，加入液体分散剂再混合30min；(2)将混合均匀的钎料装入真空熔炼炉熔炼，真空度小于3.5×10-3Pa，待所有金属完全溶化后保温15min；(3)将完全熔化的合金液体在惰性气体氛围下，采用雾化方法制备合金钎料。

Claims (4)

1.一种含Fe、Ni、Si的Cu-Sn-Ti高温合金钎料，其特征在于：以Cu-Sn-Ti为基础合金成分，添加Fe、Ni、Si元素构成高温合金钎料，合金钎料成分按质量百分比计：
Cu：65-75％；
Sn：15-20％；
Ti：9-12％；
Fe：0.02-2％；
Ni：1-3％；
Si：0.1-1.5％。
2.根据权利要求1所述的含Fe、Ni、Si的Cu-Sn-Ti高温合金钎料，其特征在于：选择纯度大于99.9％，颗粒大小150-180um的Cu、Sn、Ti、Fe、Ni、Si金属粉末优化配比组合，机械混合均匀后装入高真空熔炼炉进行熔炼，，将完全熔化的合金液体在惰性气体氛围下，采用雾化方法制备合金钎料。
3.根据权利要求2所述的含Fe、Ni、Si的Cu-Sn-Ti高温合金钎料，其特征在于：高真空熔炼炉进行熔炼时的真空度小于3.5×10-3Pa，雾化时的惰性气体氛围包括氩气、氦气或氩气与氦气的混合物。
4.一种权利要求1至3之一所述的含Fe、Ni、Si的Cu-Sn-Ti高温合金钎料的制备方法，其特征在于：
选择纯度大于99.9％，颗粒大小150-180um的Cu、Sn、Ti、Fe、Ni、Si金属粉末优化配比组合，按质量百分比计：Cu：65-75％，Sn：15-20％，Ti：9-12％，Fe：0.02-2％，Ni：1-3％，Si：0.1-1.5％；具体实施步骤为：(1)将各组分装入双运动混料机混合90min左右，加入液体分散剂再混合30min左右；(2)将混合均匀的钎料装入真空熔炼炉熔炼，真空度小于3.5×10- 3Pa，待所有金属完全溶化后保温15min左右；(3)将完全熔化的合金液体在惰性气体氛围下，采用雾化方法制备的合金钎料。
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